智能型“五防”10kV开关柜

（无源锁智能钥匙+机械闭锁防误型机构）赵建青,梁福祥,陈景鹏,徐 平,林 杨,程启诚

（1.江门供电局,529000;2.广东电网公司,510600;3.广东岱敏电网技术咨询服务中心,510600）

1 问题的提出

电网对社会生产和生活的重要，以及高电压的危险，设备操作（如分合断路器、刀闸等），须遵从严格“两票三制”等安全制度。

然而，随着电力系统的发展，电网结构日益庞大复杂。上世纪80年代初，原电力部开始要求开关设备具有防误操作功能。初期的防误单靠机械程序锁，能解决简单结线变电站操作防误。后来，对于更复杂结线的变电站，又允许加上电气的联锁。最后原电力部正式规定5种防误操作功能。即：

防止误分、误合断路器；

●防止带负荷拉、合隔离开关或手车触头；

●防止带电挂（合）接地线（接地刀闸）；

●防止带接地线（接地刀闸）合断路器（隔离开关）；

●防止误入带电间隔；

经过近30年的发展，“五防”技术已经广泛应用。但在实用上还存在不少问题。例如，期刊《南方电网》2009年第五期一篇名为“广蓄电厂钥匙闭锁系统应用于常规变电站可行性研究”文章，列举了2003～2007年南方电网涉及防误设备23次误操作恶性事故如下：

（表1）

设备防误装置失灵而被迫解锁时有发生。从表1可见，当前的五防设备及系统的运行状态不尽人意。上述文以广蓄电厂钥匙闭锁系统为例，认为机械闭锁比较可靠，探讨将机械闭锁推广到电网变电站。对此，将机械闭锁和电气（包括微机）闭锁的特点作比较：

（表2）

广蓄电厂的主结线比一般220kV变电站简单。历史上已证明变电站用纯机械五防是行不通的。但该文揭示了电网五防普遍存在的问题。回顾多年运行情况，发现当前广泛使用的五防失灵原因主要有两点：

●电气智能（包括电脑）系统和执行系统过于混杂。

●闭锁机构（包括电气）不耐搁置。长期搁置不动，一动就失灵。

第一点是目前五防失灵主因。例如开关刀闸联锁，电路串接大量一次设备的辅助接点。而这些设备，大都几个月都不操作一次。长期不动，往往机械卡阻，电气接触不良。串联回路中一个环节出问题，整个闭锁回路就瘫痪。这类故障不可能短时间排除。任务紧迫，只好解锁，就更容易引发误操作。

本项目就是利用近年来出现的“无源锁”的成功经验，针对上述五防系统两个存在问题，使智能系统与执行机构尽量分离，加上耐搁置机械结构。从一种10kV开关柜的操作机构入手，探索一套高度智能化，又可靠防误装置。

2 关于“无源锁”

2.1 怎样实现控制与执行的分离？

无源锁是广州安雷电子科技有限公司2007年开发的一种智能锁，已取得国家发明专利（专利号：ZL-2007 1 0165666.2）。它包括智能钥匙和锁芯两部分。

锁芯没有电源，它用类似U盘的无源记忆器件，“记住”自己的编号。

智能钥匙被写入对多个锁芯开启次序的信息和开锁动力电源。

当智能钥匙插入某个锁芯时，如果该锁芯编号和钥匙开启次序相符，则可以拨转开锁。不符，不能拨转（钥匙并发出 “操作错误”提示信息）。

钥匙是“控制系统”，集中全部“智能”。而锁芯是执行机构。钥匙是“发令官”，锁芯是执行的士兵。利用无源锁，就可以做到智能系统与执行机构尽量分离。

2.2 锁体机械结构的耐搁置性

无源锁的锁体从材质到结构，是按“耐搁置”特殊技术研制的。放误操作必需有这种性能！可以用长期运行事实来证明：无源锁在2008年开始为各类用户大量采用。单是供电部门已经使用了上千把。当中多用于箱式变的门锁。锁体长期暴露在户外环境下。至今厂家未收到任何故障投诉。本项目曾专门向广州海珠供电局了解，该局用于箱式变的无源锁，经历几百次开锁，无一卡阻。至今，供电部门还在大量订购。

3 开关柜智能五防装置的组成和功能要求

3.1 五防装置基本功能―保证操作顺序和操作票一致。这功能靠无源锁完成

3.1.1 新的防误装置是开关柜的一个附加机构。在是无源锁核心技术基础上，加入防止人为失误的机械闭锁(即所谓“机械防误”)。

3.1.2 智能钥匙的写入：每次操作前，电脑将电网操作票“写入”钥匙，再从钥匙“读出”，核对无误。

3.1.3 智能钥匙使用：操作者将钥匙插入某操作机构，如果符合“操作票”的操作顺序，则解锁，允许操作。不符合则不能操作，并告警。

3.1.4 刀闸的机械防误的作用：即使程序正确，开锁后，如果操作者未彻底地完成操作，就取不出钥匙，无法进行下一步操作。

3.1.5 开关的智能防误的作用：程序正确，开锁操作，将开关动作信息反馈给智能钥匙。不操作开关，或因开关内部故障，动作不彻底，钥匙收不到反馈信息，钥匙程序不进入下一步，无法进行下一步操作。

3.1.6 钥匙可以设定同一张操作票的全部n步操作完成时间(twch)。这时，同一张操作票的两步操作之间的间歇时间不可超过twch/n。超过twch/n，则操作不能继续。不设定twch，两步操作之间的间歇不受限制。(twch设定作为选项！)

3.1.7 操作票的全部操作完成，电脑“读出”带时标操作过程，终结操作票，清空钥匙。

3.1.8 一条钥匙，可写入多张操作票。一张票作为一次操作。可以逐次(张)临时结束。临时结束暂不清空钥匙，随时可以继续下一步操作。也可以将多张操作票全部完成，整体结束。

3.1.9 钥匙在操作票第一步操作之前，可以设定设备所在间隔的门号。钥匙插进不符门锁不能开门。(门号设定作为选项！)

3.1.1 0 钥匙须按“启动”键启动操作。钥匙可以设定操作者授权密码，在按“启动”键后提示输入授权密码才能操作。不设定授权密码，按“启动”键即可进行操作。(授权密码设定作为选项！)

4 智能钥匙的功能和软件开发要求

4.1 准备工作（暂限于实现本项目的试验设备范围内）

4.1.1 搜集试验开关柜的设备电网统一编码（若未有，可参照标准格式暂时自编）。

4.1.2 按操作票规范，编制设备名称和编码对照表（见表3示例）

（表3） 编制设备名称和编码对照表（示例）

4.1.3 作为试验的第一步，编制一个‘译码软件’，它的任务是将输入的‘设备名称’翻译成写入钥匙所需的‘设备统一编码或其次级码’。

4.1.4 针对无源锁钥匙所用的‘语言’，编制‘钥匙软件’。它的任务是将操作票的每步文字命令，写入无源锁钥匙（当中包括‘门禁’、‘操作授权’等选项提示）。

4.1.5 写钥匙软件’用一般电脑的U口写入钥匙。到本项目进入实用化阶段时，则研发配网‘营销一体化’系统兼容‘钥匙软件’的技术（如‘驱动软件’等），以达到将智能五防融入‘营销一体化’系统。届时，配网日常运作的操作票，直接写入钥匙。

4.1.6 五防开关柜操作流程

5 开关柜中刀闸的“机械防误”

5.1 钥匙插入，程序正确，拨转锁芯解锁。若不操作，或操作不彻底，钥匙不能复位（图1b）。钥匙不能拔出，强迫操作者必须完成本步操作。

（钥匙不复位，锁芯有‘留匙’功能。图1是形象示意。）

5.2 刀闸操作防错机构的组成

刀闸操作防错有机械和智能钥匙两种形式。

5.2.1.机械防错闭锁（见图2-1、图2-3及图2-4），结构包括：

5.2.1.1.闭锁盘

闭锁盘上有对应刀闸的分开和闭合状态的两个‘闭锁缺’。闭锁盘与刀闸驱动动轴固连。闭锁盘面固连有一根‘连动梢’，穿入5.2.3.的‘防错盘’；

5.2.1.2.闭锁闩。

在刀闸某个运行状态(分或合)，闭锁闩被弹簧推入闭锁缺中，将刀闸某种状态锁定；

5.2.1.3.防错盘。

防错盘与闭锁盘同轴，但不固连。面向闭锁盘方向，防错盘有一块‘回锁凸’。它上面有弧形的‘定位弯槽’，从闭锁盘来的‘连动梢’从‘定位弯槽’穿出。

5.2.1.4.防错钩

防错钩为一个用小弹簧推动的棘爪。当拨转锁芯后，棘爪将闭锁闩暂留在开锁状态，等候操作彻底完成（图3）。

防误、防错的操作过程（以拉开一把刀闸为例）

第一步，闭锁状态：刀闸闭合，手柄向上。闭锁闩卡住闭锁盘，不能随意操作（图2-1）；

第二步，解锁状态，仍未操作（图2-2）

智能钥匙插入锁芯，程序正确，拨转锁芯，拐臂抬起闭锁闩。防错钩立即扣住闭锁闩，保持‘可操作状态’。这时，如不操作，锁芯不能复位，拉不出钥匙去操作下一步（图3）；

第三步，拉手柄操作至完成（图2-3）

闭锁盘的连动梢在防错盘的‘定位弯槽’内滑行。刀闸彻底分开，连动梢走到弯槽尽头，拨动防错盘转一小角度，防错盘上的回锁凸推防错钩推开闭锁闩；闭锁闩又跌入另一个闭锁缺，带动拐臂使锁芯自动复位。机构在新状态（分开）被重新闭锁。操作彻底完成，可抽出钥匙作下一步操作。

5.2.2 智能钥匙防错机理和工作原理如下：

(以拉开一把刀闸的过程来说明)

(图3-1)刀闸处于合位闭锁状态

第一步，刀闸处于合位，未操作（图3-1）

●刀闸的闭锁盘被与锁芯固连的闭锁杆卡住，不能随意操作；

●刀闸‘合位’磁块对准干簧管，使它的接点闭合；

●锁芯引出信号线接地；

第二步，刀闸开锁，处于拉开半途(图3-2)

●程序正确，钥匙转动锁芯拨开闭锁干。

●拉手柄，刀闸开始分开。合位磁块离开干簧继电器，它的接点分开。

●锁芯引出信号线暂时离开地电位。

第三步，刀闸分开，分位置重新闭锁(图3-3)

●钥匙回拨，闭锁干重新卡住闭锁盘。

●分位磁块对准干簧继电器，它的触点重新闭合。

●锁芯引出线经历了“接地-离地-再接地”过程，钥匙得到此信号才将程序转入下一步。

●取出钥匙，钥匙可作下一步操作。

上述智能钥匙防错机构在操作未完成之前，都可以将钥匙取出，但未经锁芯回答接地的“合-分-合”信号，钥匙不能做下一步的解锁，无法进入下一程序操作。

如果刀闸有可利用的位置接点(如图虚线所示的H、F接点)，就不需用干簧继电器和磁块，防错回路更简单可靠。

开关操作防错机构（智能钥匙型）：

5.3.1.正常运行的开关(见图4-1)

(图3-2)刀闸处于解锁状态，正在操作

开关正常运行一切操作按钮或机械储能摇柄孔被挡板遮住，不允许随意操作(图4-1)。如果是机械储能操作，图4-1上被遮蔽的不是分合按钮，而是械储能摇柄孔。

5.3.1.开关需要操作(图4-2)

插入智能钥匙，程序正确，可以拨转，打开挡板。如果不操作取出钥匙（不按按钮或手动储能后再按按钮），不能进行下一步。

如果操作，开关变位。干簧继电器接点经历“合-分-合”，将有效操作信号写入钥匙。才允许进行下一步(图4-3、图4-4)。

注：开关操作包括‘分’和‘合’。而闭锁是一 并进行的。

6 结语

6.1 1 0kV开关柜是城市和农村电网使用最广泛的设备。而操作者往往是用户和广大的农网电工，对安全管理制度的执行，个人安全意识和主网还有差距。而10kV开关柜的五防至今比主网设备更不完善。亟需要可靠完善的五防措施。

6.2 无源锁是本项目的核心技术。它独特的优点是高度智能加上高度的可靠。现有的五防系统，智能也很高，但可靠性太低，不能保证安全操作。这就是引入无源锁五防的根本原因。

6.3 然而，单凭无源锁智能技术，还未能杜绝一切可能的失误。必须加上“强制性”的防错手段。上述的机械防错技术，适用于新10kV开关柜的五防改造。而智能钥匙防错技术，还能用于运行中开关柜的五防改造。

6.4 开发上述两种防错技术不需辅助电源，能适应“孤岛式”配电房“黑启动”。采用这种防错技术的开关柜，有普适的意义。

对比当前各级电网五防运行存在的问题，无源锁五防将是一种较理想的解决手段。本项目首期工作是完成广东电网公司规定类型的一种10kV开关柜的五防改造，建造一个有2～3台开关柜的10kV智能五防示范性配电房，作为探索无源锁五防在更高一级电网中推广应用的第一步。

五防开关柜操作流程

[1]彭杉，郑祖军.微机“五防”系统的改进[J].农村电气化，2007，（5）：23,24.

[2]樊雪英，传统电气闭锁防误与现代微机“五防”问题研究[J]，新疆有色金属，2003（8）：48～50

[3]李颖.关于监控微机与微机“五防”的通讯的一点思考[J].云南电力技术，2000,28（3）：45,46.